6.2-6.5 卷积的一些基础代码
- 互相关运算
import torchfrom torch import nnfrom d2l import torch as d2l
def corr2d(X, K): """计算二维互相关运算""" h, w = K.shape Y = torch.zeros(X.shape[0] - h + 1, X.shape[1] - w + 1) for i in range(Y.shape[0]): for j in range(Y.shape[1]): Y[i, j] = (X[i:i + h, j:j + w] * K).sum() return Y- 二维卷积层
class Conv2D(nn.Module): def __init__(self, kernel_size): super().__init__() self.weight = nn.Parameter(torch.rand(kernel_size)) self.bias = nn.Parameter(torch.zeros(1)) # nn.Parameter()包装可训练参数
def forward(self, x): return corr2d(x, self.weight) + self.bias高度和宽度分别为 和 的卷积核可以被称为 卷积或 卷积核。我们也将带有 卷积核的卷积层称为 卷积层。
- 边缘检测
如下是卷积层的一个简单应用:通过找到像素变化的位置,来检测图像中不同颜色的边缘。 我们构造一个高度为1、宽度为2的卷积核K。当进行互相关运算时,如果水平相邻的两元素相同,则输出为零,否则输出为非零。
X = torch.ones(6, 8)X[:, 2:6] = 0
K = torch.tensor([[1.0, -1.0]])
Y = corr2d(X, K)Ytensor([[ 0., 1., 0., 0., 0., -1., 0.], [ 0., 1., 0., 0., 0., -1., 0.], [ 0., 1., 0., 0., 0., -1., 0.], [ 0., 1., 0., 0., 0., -1., 0.], [ 0., 1., 0., 0., 0., -1., 0.], [ 0., 1., 0., 0., 0., -1., 0.]])这个卷积核K只可以检测垂直边缘,无法检测水平边缘。
corr2d(X.t(), K)tensor([[0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.], [0., 0., 0., 0., 0.]])- 学习卷积核
复杂情况时,我们不可能手动设计滤波器。那么是否可以学习由X生成Y的卷积核呢?
# 构造一个二维卷积层,它具有1个输出通道和形状为(1,2)的卷积核conv2d = nn.Conv2d(1, 1, kernel_size=(1, 2), bias=False)
# 这个二维卷积层使用四维输入和输出格式(批量大小、通道、高度、宽度)# 其中批量大小和通道数都为1X = X.reshape(1, 1, 6, 8)Y = Y.reshape(1, 1, 6, 7)lr = 3e-2
for i in range(10): Y_hat = conv2d(X) l = (Y_hat - Y) ** 2 conv2d.zero_grad() l.sum().backward() #迭代卷积核 conv2d.weight.data[:] -= lr * conv2d.weight.grad if(i + 1) % 2 == 0: print(f'epoch{i+1}, loss{l.sum():.3f}')epoch2, loss8.690epoch4, loss1.499epoch6, loss0.268epoch8, loss0.052epoch10, loss0.012在10次迭代之后,误差已经降到足够低。现在我们来看看我们所学的卷积核的权重张量,注意到我们学习到的卷积核权重非常接近我们之前定义的卷积核K。
conv2d.weight.data.reshape(1, 2)tensor([[ 0.9777, -0.9920]])填充和步幅
- 填充(Padding)
- 通常取 , ,使输入输出形状相同;
- 当 为奇数:在上下左右各填充
- 当 为偶数:在上侧填充 ,下侧填充
import torchfrom torch import nn
def comp_conv2d(conv2d, X): # 这里的(1,1)表示批量大小和通道数都是1 X = X.reshape((1, 1) + X.shape) Y = conv2d(X) return Y.reshape(Y.shape[2:])
# 这里每边都填充了1行或1列,因此总共添加了2行或2列conv2d = nn.Conv2d(1, 1, kernel_size=3, padding=1)X = torch.rand(size=(8, 8))comp_conv2d(conv2d, X).shapetorch.Size([8, 8])我们使用高度为5,宽度为3的卷积核,高度和宽度两边的填充分别为2和1。
conv2d = nn.Conv2d(1, 1, kernel_size=(5, 3), padding=(2, 1))comp_conv2d(conv2d, X).shapetorch.Size([8, 8])- 步幅(Stride)
- 给定高度和宽度的步幅,输出形状是:
- 如果,
- 如果输入高度和宽度可以被步幅整除
下面,我们将高度和宽度的步幅设置为2,从而将输入的高度和宽度减半。
conv2d = nn.Conv2d(1, 1, kernel_size=3, padding=1, stride=2)comp_conv2d(conv2d, X).shapetorch.Size([4, 4])来个复杂一些的例子,有
conv2d = nn.Conv2d(1, 1, kernel_size=(3, 5), padding=(0, 1), stride=(3, 4))comp_conv2d(conv2d, X).shapetorch.Size([2, 2])多输入多输出通道
- 多个输入通道
输入 :
核 :
输出 :
其中, 表示输入的通道维
import torchfrom d2l import torch as d2l
def corr2d_multi_in(X, K): # 先遍历“X”和“K”的第0个维度(通道维度),再把它们加在一起 return sum(d2l.corr2d(x,k) for x, k in zip(X, K))
X = torch.tensor([[[0.0, 1.0, 2.0], [3.0, 4.0, 5.0], [6.0, 7.0, 8.0]], [[1.0, 2.0, 3.0], [4.0, 5.0, 6.0], [7.0, 8.0, 9.0]]])K = torch.tensor([[[0.0, 1.0], [2.0, 3.0]], [[1.0, 2.0], [3.0, 4.0]]])
corr2d_multi_in(X, K)tensor([[ 56., 72.], [104., 120.]])- 多输出通道
输入 :
核 :
输出 :
其中, 表示输出的通道维
def corr2d_multi_in_out(X, K): # 迭代“K”的第0个维度,每次都对输入“X”执行互相关运算。 # 最后将所有结果都叠加在一起 return torch.stack([corr2d_multi_in(X, k) for k in K], 0)
K = torch.stack((K, K + 1, K + 2), 0)# K.shape = (3, 2, 2, 2)
corr2d_multi_in_out(X, K)tensor([[[ 56., 72.], [104., 120.]],
[[ 76., 100.], [148., 172.]],
[[ 96., 128.], [192., 224.]]])- 卷积层
可看作在每个像素位置应用的全连接层,以 个输入值转换为 个输出值。 下面,我们使用全连接层实现 卷积。 请注意,我们需要对输入和输出的数据形状进行调整。
def corr2d_multi_in_out_1x1(X, K): c_i, h, w = X.shape c_o = K.shape[0] X = X.reshape(c_i, h * w) K = K.reshape(c_o, c_i) #全连接层中的矩阵乘法 Y = torch.matmul(K, X) return Y.reshape(c_o, h, w)
X = torch.normal(0, 1, (3, 3, 3))K = torch.normal(0, 1, (2, 3, 1, 1))
Y1 = corr2d_multi_in_out_1x1(X, K)Y2 = corr2d_multi_in_out(X, K)float(torch.abs(Y1 - Y2).sum()) < 1e-6True池化层
- 最大池化层和平均池化层
在下面的代码中的pool2d函数,我们实现池化层的前向传播。
import torchfrom torch import nnfrom d2l import torch as d2l
def pool2d(X, pool_size, mode='max'): p_h, p_w = pool_size Y = torch.zeros(X.shape[0] - p_h + 1, X.shape[1] - p_w + 1) for i in range(Y.shape[0]): for j in range(Y.shape[1]): if mode == 'max': Y[i, j] = X[i: i + p_h, j: j + p_w].max() elif mode == 'avg': Y[i, j] = X[i: i + p_h, j: j + p_w].mean() return Y
X = torch.tensor([[0.0, 1.0, 2.0], [3.0, 4.0, 5.0], [6.0, 7.0, 8.0]])pool2d(X, (2, 2))tensor([[4., 5.], [7., 8.]])试试平均池化层。
pool2d(X, (2, 2), 'avg')tensor([[2., 3.], [5., 6.]])- 填充和步幅
默认情况下,深度学习框架中的步幅与汇聚窗口的大小相同。 因此,如果我们使用形状为(3, 3)的汇聚窗口,那么默认情况下,我们得到的步幅形状为(3, 3)。
X = torch.arange(16, dtype=torch.float32).reshape(1, 1, 4, 4)Xtensor([[[[ 0., 1., 2., 3.], [ 4., 5., 6., 7.], [ 8., 9., 10., 11.], [12., 13., 14., 15.]]]])pool2d = nn.MaxPool2d(3)pool2d(X)tensor([[[[10.]]]])pool2d = nn.MaxPool2d((2, 3), stride=(2, 3), padding=(0, 1))pool2d(X)tensor([[[[ 5., 7.], [13., 15.]]]])- 多个通道
在处理多通道输入数据时,池化层在每个输入通道上单独运算,而不是像卷积层一样在通道上对输入进行汇总。这意味着池化层的输出通道数与输入通道数相同。
X = torch.cat((X, X + 1), 1)Xtensor([[[[ 0., 1., 2., 3.], [ 4., 5., 6., 7.], [ 8., 9., 10., 11.], [12., 13., 14., 15.]],
[[ 1., 2., 3., 4.], [ 5., 6., 7., 8.], [ 9., 10., 11., 12.], [13., 14., 15., 16.]]]])pool2d = nn.MaxPool2d(3, padding=1, stride=2)pool2d(X)tensor([[[[ 5., 7.], [13., 15.]],
[[ 6., 8.], [14., 16.]]]])
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